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探火新材料,表面“热浪滚滚”,里面“凉爽宜人”

来源:中国航天报 74 2020-07-29

文/王春明 梁馨 方洲 李翔 范海波;图/航天科技集团一院703所

7月23日长征五号遥四运载火箭成功发射,备受瞩目的火星探测器“天问一号”被送入预定轨道。

这是我国首次火星探测任务,将在完全陌生的火星环境下,一次性实现火星环绕、着陆和巡视三大任务,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并在火星表面开展区域巡视探测,这在世界航天史上也属于首例。

天问一号是通过一个着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务的。着陆巡视组合体包括进入舱和火星车两部分,进入舱负责着陆,火星车负责科学探测。

奔向火星的过程中,最大的难点在于在再入、下降与着陆过程中,要将探测器的时速从两万多千米/小时降低至0。如何做好探测器的热防护,关系着火星车能否安全到达火星表面开展相关工作,关系着“天问一号”探测任务的成败。

坠入火星,探测器都经历什么

与月球不同,火星上也存在大气层。虽然火星大气比地球要稀薄一些,但在着陆器高速进入情况下,与大气层的高速摩擦也会使着陆器表面温度急剧升高,就如同一颗流星一样,如果不进行有效的防护,就将烧毁在大气层中。

别看火星上大气密度只有地球的1%,但其大气中二氧化碳占95%,氮气占3%,与从地球轨道上返回的飞船相比,着陆火星的探测器在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应。人类探测火星起步于20世纪60年代,2020年之前共实施了44次火星探测任务,其中美国20次,苏联/俄罗斯20次,欧洲2次,日本1次,印度1次,任务形式包含掠飞、环绕、着陆及巡视探测。只有24次任务取得了成功或部分成功,成功率54.5%,可见火星探测器成功着陆的难度有多高。

为了安全地护卫“天问一号”成功着陆,中国航天科技集团有限公司一院703所根据探测器形状、不同部位所承受的气动载荷及热流密度的不同,“量体裁衣”创新研制了三种材料,分别是超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料、连续纤维增强中密度防热材料和超轻质大面积防热涂层材料。

这三种材料协同作战,在探测器着陆的时候,材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应,同时带走大量的热,同时材料内部还具有良好的保温隔热性能,虽然表面“热浪滚滚”,里面却依旧“凉爽宜人”,有效保护探测器不被烧坏。

新型防护材料有哪些过人之处

火星距离地球较远,为使运载火箭推送的更远,天问一号探测器的重量不能过大,因此对探测器防热结构的重量要求也达到了十分苛刻的程度,在如此严苛要求下又要完成热防护使命,因此必须采用最优化设计,尽可能“榨干”防热材料的防热性能和防热效率。

“天问一号”探测器着陆过程中,受热最严重的大底部分采用的是超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。这种材料可以说是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”载人飞船、月地高速载入返回飞行器中,蜂窝增强低密度烧蚀防热材料都发挥了热防护的关键作用。

蜂窝增强低密度烧蚀防热材料材料样件

此次火星探测器上采用的是配方优化设计的新型超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。跟它的“前辈”们相比,此材料强度更高、密度更低,并且可以根据承受的气动载荷分布对蜂窝格子进行变厚度优化设计,在保证探测器拐角部位能够耐受更严苛的气动载荷的情况下,使整个结构的材料重量更加轻质化。

探测器大底结构的直径达到3.4m左右,共计约70000个蜂窝格子,团队采用整体成型工艺,确保了在如此多的蜂窝格子中材料一次性灌注到位,不论是成型效率、成型质量还是成型可靠性都达到国际领先水平。整个探测器大底结构具有非常好的整体性,确保了其在奔向火星的过程中承受高低温交变的结构稳定性。


探测器大底大面积使用超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料

除了大面积的低密度烧蚀防热材料之外,探测器的其它部位还需要一些更具承载能力的防热材料,为此,团队还研制了连续纤维增强中密度防热材料,既能满足结构要求,又具备轻质特点。该材料主要用作探测器大底及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件,相比较低密度材料其强度更高,兼顾了耐烧蚀和承载能力。

而在受到热流相对较低的背罩结构上,团队采用的是超轻质的烧蚀防热涂层材料。该材料基本热物理性能达到国际先进水平,不仅隔热性能优良,也对着陆器的减重起到重要作用。同时,还充分考虑发射场的环境影响和真空总质量损失等要求,持续优化材料,使其耐盐雾、耐湿热性能均通过试验,真空总质量损失和可凝挥发份均满足设计要求。

超轻质防热涂层材料

三种材料协同作战

这三种材料在结构、配方及工艺设计时,还需要考虑的一个重要因素就是它们之间的结构热匹配性。探测器飞向火星的时间较长,由于轨道的变换和距离太阳的远近,防热材料在飞行过程中要承受极低的温度以及高低温度的循环交变,“冰火两重天”很容易导致材料发生开裂、脱落等灾难性问题。

在这样的恶劣条件下,三种防热材料和结构需要与着陆器的内部结构保持良好的结构热匹配性和完整性。团队通过工程计算、数值模拟及必要的地面试验等方法,设计模拟三种材料在极低温、高低温交变的空间环境下的结构变化及烧蚀匹配性,再根据实验结果进行优化设计,最终确保这三种材料的匹配性和完整性,使它们能够在茫茫太空中“协同作战”,为探测器安全抵达、顺利着陆保驾护航。

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